JP2006273669A

JP2006273669A - Method for manufacturing semiconductor ingot

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Publication number: JP2006273669A
Application number: JP2005096343A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Niwa; 哲夫丹羽
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To propose a method for manufacturing a semiconductor ingot which is small in variation of specific resistance, uniform in quality and excellent in characteristics. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing the semiconductor ingot by solidifying a semiconductor melt 9 containing a first dopant material regulating a first conduction type in the prescribed direction within a casting mold, the liquid surface of the semiconductor melt 9 in the solidification process is measured and the semiconductor raw material having the first dopant concentration lower than that of the semiconductor melt is supplied into the semiconductor melt according to the measured value. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体インゴットの製造方法に関し、特に半導体インゴットの比抵抗を調整する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor ingot, and more particularly to a technique for adjusting the specific resistance of a semiconductor ingot.

現在、太陽電池用半導体基板としてシリコンインゴットが多く用いられており、太陽電池のさらなる高性能化のため、その品質のさらなる向上が求められている。 At present, silicon ingots are often used as semiconductor substrates for solar cells, and further improvements in the quality of the solar cells are demanded for higher performance of solar cells.

その中で、シリコンインゴットの比抵抗を所定範囲内に調整し品質を向上させるために、シリコン融液中にIII価あるいはV価の不純物元素であるドーパント材を添加する手法が用いられている。このドーパント材は、通常、不純物元素を高濃度に含んだ粒状シリコン結晶の形で供給され、これをシリコン材料と同時に融解して、所望のドーパント濃度をもつシリコン融液を得る。 Among them, in order to adjust the specific resistance of the silicon ingot within a predetermined range and improve the quality, a technique of adding a dopant material, which is a III-valent or V-valent impurity element, to the silicon melt is used. This dopant material is usually supplied in the form of granular silicon crystals containing an impurity element at a high concentration, and this is melted simultaneously with the silicon material to obtain a silicon melt having a desired dopant concentration.

このようなシリコン融液を凝固させた際、結晶成長方向において比抵抗値の変動が生じるという問題がある。 When such a silicon melt is solidified, there is a problem that the specific resistance value fluctuates in the crystal growth direction.

すなわち、シリコン融液中のドーパント元素は、凝固成長に際して偏析現象により一定の比率でシリコン固体結晶中に取り込まれていく。このときの結晶中のドーパント濃度（ＣS）は、ＣS＝ｋＣL （ｋ：偏析係数、ＣL：融液中のドーパント濃度）で表されるが、鋳型底部から上方にかけて一方向凝固する場合、比抵抗を低下させるドーパント濃度は鋳型底部から上方にかけて上昇する。従って、その比抵抗は鋳型底部が最も高く、高さ方向に減少する。それ故、所望の比抵抗値の範囲を逸脱し、その部分は製品として使用できなくなるという問題が生じていた。 That is, the dopant element in the silicon melt is taken into the silicon solid crystal at a certain ratio by the segregation phenomenon during the solidification growth. At this time, the dopant concentration (CS) in the crystal is expressed by CS = kCL (k: segregation coefficient, CL: dopant concentration in the melt). The dopant concentration that lowers the temperature increases from the bottom of the mold to the top. Accordingly, the specific resistance is highest at the bottom of the mold and decreases in the height direction. Therefore, there has been a problem that it deviates from a desired specific resistance value range, and the portion cannot be used as a product.

この問題に対しては、ＣＺ法による単結晶シリコンを育成する場合の比抵抗調整技術として、以下のような方法が提案されている。 In order to solve this problem, the following method has been proposed as a specific resistance adjustment technique when single crystal silicon is grown by the CZ method.

例えば、第一ドーパント材を含むシリコン融液から単結晶を引き上げる途中で、第一ドーパント材とは逆の導電型を呈する第二ドーパント材を供給する方法（例えば、特許文献１参照）、或いは、初期シリコン融液に、第一ドーパント材のホウ素濃度に対して２５〜３５％の濃度の第二ドーパント材のリンを添加する方法（例えば、特許文献２参照）、などによってシリコンインゴット全体の比抵抗値の均一化を図るものが挙げられる。
特開平７−３０９６９３号公報特開２００３−１３７６８７号公報 For example, in the middle of pulling a single crystal from a silicon melt containing a first dopant material, a method of supplying a second dopant material exhibiting a conductivity type opposite to that of the first dopant material (for example, see Patent Document 1), or The specific resistance of the entire silicon ingot by the method of adding phosphorus of the second dopant material at a concentration of 25 to 35% with respect to the boron concentration of the first dopant material (for example, see Patent Document 2) to the initial silicon melt There are those that make the values uniform.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-309963 JP 2003-137687 A

しかしながら、特許文献１のような単結晶を引き上げる途中で逆の導電型を呈する第二ドーパント材を供給する方法では、第二ドーパント材を供給するタイミングによって、引き上げられたシリコン単結晶のテール部の比抵抗は大きく変動してしまうという問題がある。特に、引上げ高さからシリコン凝固率を推定容易なＣＺ法とは異なり、キャスト法によって鋳型底部からシリコン融液を凝固させる場合、外部から固液界面を観察することが難しく、第二ドーパント材を供給するタイミングを制御することが極めて困難であった。 However, in the method of supplying the second dopant material exhibiting the opposite conductivity type while pulling up the single crystal as in Patent Document 1, the tail portion of the pulled silicon single crystal is controlled depending on the timing of supplying the second dopant material. There is a problem that the specific resistance varies greatly. In particular, unlike the CZ method, in which the silicon solidification rate can be easily estimated from the pulling height, when the silicon melt is solidified from the bottom of the mold by the casting method, it is difficult to observe the solid-liquid interface from the outside. It was extremely difficult to control the supply timing.

また、特許文献２のような初期融液に予め第二ドーパント材を添加する方法では、シリコンインゴットの種々の品質特性を制御するための諸条件（温度プロファイル、シリコンの引上げ速度及び種結晶の回転速度など）によって比抵抗の均一化をも調整する必要が生じてしまう。しかもこの場合、ドーパント濃度は従来の方法に比して逆に増加してしまい、インゴット品質の均質化という観点から見た時にも好ましい方法とは言えなかった。 Further, in the method of adding the second dopant material in advance to the initial melt as in Patent Document 2, various conditions for controlling various quality characteristics of the silicon ingot (temperature profile, silicon pulling speed, and rotation of the seed crystal) The uniformity of the specific resistance needs to be adjusted depending on the speed). In addition, in this case, the dopant concentration is increased as compared with the conventional method, and it is not a preferable method from the viewpoint of homogenizing the ingot quality.

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、キャスト法により半導体インゴットを製造する方法において、比抵抗ばらつきが小さく品質が均一で特性に優れた半導体インゴットを得るための方法を提案することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to propose a method for producing a semiconductor ingot having a small specific resistance variation, uniform quality and excellent characteristics in a method of manufacturing a semiconductor ingot by a casting method. To do.

本発明の半導体インゴットの製造方法は、第一導電型を規定する第一ドーパント材を含有する半導体融液を、鋳型内で所定方向に凝固させてなるものにおいて、前記凝固過程における前記半導体融液の液面を測定し、該測定値に応じて前記半導体融液の第一ドーパント濃度よりも第一ドーパント濃度が低い半導体原料を、前記半導体融液中に供給することを特徴とする。ここで、「半導体原料」とは、固体状の半導体材料及び液体状の半導体融液の両方を含む概念である。 The method for producing a semiconductor ingot according to the present invention comprises solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold, wherein the semiconductor melt in the solidification process The liquid level is measured, and a semiconductor raw material having a first dopant concentration lower than the first dopant concentration of the semiconductor melt is supplied into the semiconductor melt according to the measured value. Here, the “semiconductor raw material” is a concept including both a solid semiconductor material and a liquid semiconductor melt.

特に、前記半導体原料の第一ドーパント濃度は、前記半導体融液の凝固開始前の第一ドーパント濃度よりも低いことを特徴とする。 In particular, the first dopant concentration of the semiconductor raw material is lower than the first dopant concentration before the start of solidification of the semiconductor melt.

本発明の半導体インゴットの製造方法は、第一導電型を規定する第一ドーパント材を含有する半導体融液を、鋳型内で所定方向に凝固させてなるものにおいて、前記凝固過程における前記半導体融液の液面を測定し、該測定値に応じて前記半導体融液の第一ドーパント濃度よりも第一ドーパント濃度が低い半導体原料を、前記半導体融液中に供給することから、凝固過程の半導体融液の液面高さを指標として該半導体融液の凝固率を推定し、半導体融液のドーパント濃度を制御することにより、半導体インゴット上部でも所望の比抵抗が得られ、品質ばらつきを抑制することが可能となる。 The method for producing a semiconductor ingot according to the present invention comprises solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold, wherein the semiconductor melt in the solidification process Since a semiconductor material having a first dopant concentration lower than the first dopant concentration of the semiconductor melt is supplied into the semiconductor melt according to the measured value, the semiconductor melt in the solidification process is measured. Estimating the solidification rate of the semiconductor melt using the liquid surface height as an index, and controlling the dopant concentration of the semiconductor melt, the desired specific resistance can be obtained even on the top of the semiconductor ingot, thereby suppressing quality variations. Is possible.

特に、任意のタイミングで半導体融液中の不純物濃度を制御できることから、凝固速度や温度勾配を制御するための加熱、冷却条件等の設定の自由度を確保することができ、太陽電池用基板としての特性を向上させるための諸条件を同時に満たすことが可能となる。 In particular, since the impurity concentration in the semiconductor melt can be controlled at an arbitrary timing, the degree of freedom in setting the heating and cooling conditions for controlling the solidification rate and temperature gradient can be secured, and as a substrate for solar cells It is possible to simultaneously satisfy various conditions for improving the characteristics.

なお、第一導電型とは逆の導電型を規定するドーパント材を全く含まないことから、比抵抗ばらつきと同時に品質ばらつきも抑制された半導体インゴットを製造することができる。 In addition, since the dopant material which prescribes | regulates the conductivity type contrary to a 1st conductivity type is not included at all, the semiconductor ingot by which the quality variation was suppressed simultaneously with the specific resistance variation can be manufactured.

次に、前記半導体原料の第一ドーパント濃度は、前記半導体融液の凝固開始前の第一ドーパント濃度よりも低く構成されることから、比較的少量の半導体原料を用いて比抵抗のばらつきを効果的に抑制することが可能となる。 Next, since the first dopant concentration of the semiconductor material is configured to be lower than the first dopant concentration before the start of solidification of the semiconductor melt, it is possible to effectively vary the resistivity using a relatively small amount of semiconductor material. Can be suppressed.

以下、本発明の半導体インゴットの製造方法について図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the semiconductor ingot of this invention is demonstrated in detail using drawing.

図１は一般的な半導体（シリコン）鋳造装置の構成を示す概略断面図、図２は半導体（シリコン）鋳造装置における凝固部の概略断面図である。図中の１は溶融坩堝、２は保持坩堝、３は加熱手段、３ａは上部加熱手段、３ｂは側部加熱手段、４はシリコン材料、５は鋳型、６は鋳型保持台、７は冷却板、８は鋳型加熱手段、９はシリコン融液である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a general semiconductor (silicon) casting apparatus, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a solidified portion in the semiconductor (silicon) casting apparatus. In the figure, 1 is a melting crucible, 2 is a holding crucible, 3 is a heating means, 3a is an upper heating means, 3b is a side heating means, 4 is a silicon material, 5 is a mold, 6 is a mold holding table, and 7 is a cooling plate. , 8 is a mold heating means, and 9 is a silicon melt.

まず、本発明の半導体インゴットの製造方法に用いる半導体（シリコン）鋳造装置について説明する。 First, a semiconductor (silicon) casting apparatus used in the method for producing a semiconductor ingot according to the present invention will be described.

溶融坩堝１は、融解したシリコン融液内に不純物が混入しないように、高純度石英などが用いられる。また、溶融坩堝１はシリコンの融点以上の高温になると軟化して変形するのを防ぐため、黒鉛などからなる保持坩堝２によって保持される。溶融坩堝１、保持坩堝２の寸法は、一度に溶融する溶融量に応じたシリコン材料を内包できる寸法とする必要がある。シリコン材料４の溶融量は、例えば１ｋｇから２５０ｋｇの範囲である。 As the melting crucible 1, high-purity quartz or the like is used so that impurities are not mixed into the molten silicon melt. In addition, the melting crucible 1 is held by a holding crucible 2 made of graphite or the like in order to prevent softening and deformation when the temperature becomes higher than the melting point of silicon. The size of the melting crucible 1 and the holding crucible 2 needs to be a size that can contain a silicon material according to the melting amount to be melted at one time. The melting amount of the silicon material 4 is, for example, in the range of 1 kg to 250 kg.

また、溶融坩堝１、保持坩堝２の周囲には加熱手段３が設置され、例えば、溶融坩堝１の上部と側部に上部加熱手段３ａ、側部加熱手段３ｂが設けられ、溶融坩堝１内のシリコン材料４を加熱溶融してシリコン融液が得られる。加熱手段３は、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。 A heating means 3 is installed around the melting crucible 1 and the holding crucible 2. For example, an upper heating means 3 a and a side heating means 3 b are provided on the upper and side portions of the melting crucible 1. A silicon melt is obtained by heating and melting the silicon material 4. As the heating means 3, for example, a resistance heating type heater or an induction heating type coil can be used.

また、溶融坩堝１内部で加熱融解されたシリコン融液は、溶融坩堝１を傾倒することにより、上方に開口部を有した鋳型５内に注がれる。そして、鋳型５内に注がれたシリコン融液９は、鋳型５の下部に設けられた冷却板７により底部から抜熱されると同時に鋳型加熱手段８により上部から加熱され、高さ方向に温度分布が付与されることにより、底部から上部に向かって凝固が進行する。 Further, the silicon melt heated and melted inside the melting crucible 1 is poured into a mold 5 having an opening upward by tilting the melting crucible 1. Then, the silicon melt 9 poured into the mold 5 is removed from the bottom by the cooling plate 7 provided at the lower part of the mold 5 and simultaneously heated from the top by the mold heating means 8, and the temperature is increased in the height direction. By providing the distribution, solidification progresses from the bottom toward the top.

鋳型５は、酸化珪素、窒化珪素、黒鉛などから構成される。また、鋳型５の内面には、シリコン融液９が凝固した後、鋳型５の内壁とシリコンインゴットが融着するのを抑止するため、離型材層（不図示）を設けることが望ましい。離型材層の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素などによって形成することができる。 The mold 5 is made of silicon oxide, silicon nitride, graphite or the like. Moreover, it is desirable to provide a release material layer (not shown) on the inner surface of the mold 5 in order to prevent the inner wall of the mold 5 and the silicon ingot from fusing after the silicon melt 9 is solidified. As a material for the release material layer, for example, silicon nitride, silicon carbide, silicon oxide or the like can be used.

また、鋳型５の外周部には、炭素素材などからなる断熱材層（不図示）を設けることもできる。断熱材層の材質、厚み等を選択することにより、鋳型５内に注がれたシリコン融液の凝固速度、凝固時間を制御することができる。 Further, a heat insulating material layer (not shown) made of a carbon material or the like can be provided on the outer periphery of the mold 5. By selecting the material, thickness and the like of the heat insulating material layer, the solidification rate and solidification time of the silicon melt poured into the mold 5 can be controlled.

さらに、冷却板７は鋳型５の底部、または、鋳型保持台６の下面に接触し、鋳型５内のシリコン融液９を底部から冷却するものであり、中空の金属板等の内部に水あるいはガスを循環させる等の構造のものを用いることができる。 Further, the cooling plate 7 is in contact with the bottom of the mold 5 or the lower surface of the mold holding table 6 to cool the silicon melt 9 in the mold 5 from the bottom. The thing of the structure of circulating gas etc. can be used.

また、鋳型５を上方から加熱可能な、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる鋳型加熱手段８を配置してもよく、これによって鋳型５に注がれたシリコン融液９の表面を適度に加熱し、下方から上方に向けた温度勾配をより正確に制御することができる。 Further, a mold heating means 8 composed of a resistance heating type heater, an induction heating type coil or the like that can heat the mold 5 from above may be disposed, whereby the silicon melt 9 poured into the mold 5 can be disposed. The surface can be heated moderately, and the temperature gradient from the bottom to the top can be controlled more accurately.

なお、これらの鋳造装置は、真空容器（不図示）内に配置し、不活性ガス等の還元雰囲気下で行うことにより、不純物の混入や酸化を防ぐ点で望ましい。 In addition, these casting apparatuses are desirable in that they are placed in a vacuum vessel (not shown) and performed in a reducing atmosphere such as an inert gas to prevent impurities from being mixed and oxidized.

次に、当該鋳造装置を用いて半導体インゴットを製造する方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor ingot using the casting apparatus will be described.

まず、溶融坩堝１内に所定量のシリコン材料４と、インゴット底部の比抵抗が所望の値となるべく調整された量の、ホウ素、ガリウムなどのＰ型不純物を含む第一ドーパント材を投入したのち、加熱手段３によって溶融坩堝内のシリコン材料４を融解し、所望の温度のシリコン融液とする。このとき、ドーパント材は不純物元素そのものであっても構わないし、あるいは予め不純物元素が高い濃度でドープされているシリコン材料であっても構わない。 First, after a predetermined amount of silicon material 4 and a first dopant material containing P-type impurities such as boron and gallium in such a manner that the specific resistance at the bottom of the ingot is adjusted to a desired value are put into the melting crucible 1. Then, the silicon material 4 in the melting crucible is melted by the heating means 3 to obtain a silicon melt at a desired temperature. At this time, the dopant material may be the impurity element itself, or may be a silicon material in which the impurity element is previously doped at a high concentration.

次に溶融坩堝１を傾倒させて鋳型５内に加熱融解したシリコン融液９を注ぎ込む。所定量のシリコン融液９が満たされた鋳型５は凝固工程に移り、鋳型保持台６の下面に冷却板７を接触させると同時に、鋳型加熱手段８によりシリコン融液９を上方より加熱する。鋳型加熱手段８の出力は、シリコン融液９が鋳型５の底部から上部にかけて徐々に凝固が進行するように調整される。 Next, the melting crucible 1 is tilted and the silicon melt 9 heated and melted in the mold 5 is poured. The mold 5 filled with a predetermined amount of the silicon melt 9 moves to the solidification step, and the cooling plate 7 is brought into contact with the lower surface of the mold holding table 6 and at the same time, the silicon melt 9 is heated from above by the mold heating means 8. The output of the mold heating means 8 is adjusted so that the silicon melt 9 gradually solidifies from the bottom to the top of the mold 5.

ここでシリコン融液の液面の高さを指標としてシリコン融液の凝固率を推定し、そして、シリコン融液９の液面高さが所望の凝固率に応じた高さに到達した時点で、鋳型内のシリコン融液中のドーパント濃度よりも低い第一ドーパント材を含んだ追加のシリコン材料またはシリコン融液を供給する。 Here, the solidification rate of the silicon melt is estimated using the height of the surface of the silicon melt as an index, and when the liquid surface height of the silicon melt 9 reaches a height corresponding to the desired solidification rate. Supplying an additional silicon material or silicon melt containing a first dopant material lower than the dopant concentration in the silicon melt in the mold.

このような方法を用いることによって、シリコン融液の液面の高さからシリコン融液の凝固率を推定し、凝固の進行に伴ってドーパント濃度が増加したシリコン融液中に、同じ導電型でシリコン融液中のドーパント濃度より低い濃度の第一ドーパント材を含んだ追加のシリコン材料またはシリコン融液を供給することによって、シリコン融液中のドーパント濃度を低減させ、比抵抗の低下を抑えることができ、比抵抗のバラツキが小さく、品質が均一なシリコンインゴットを製造することができる。 By using such a method, the solidification rate of the silicon melt is estimated from the height of the silicon melt, and the same conductivity type is used in the silicon melt in which the dopant concentration increases as the solidification progresses. By supplying an additional silicon material or silicon melt containing a first dopant material whose concentration is lower than the dopant concentration in the silicon melt, the dopant concentration in the silicon melt is reduced and the decrease in resistivity is suppressed. It is possible to manufacture a silicon ingot having a uniform quality and a small variation in specific resistance.

また、シリコン融液９は鋳型５底部から凝固されており、追加のシリコン材料またはシリコン融液は鋳型加熱手段８により加熱されたシリコン融液表面に供給されるため、固液界面付近におけるシリコン融液のドーパント濃度が急激に変化することはなく、シリコン融液中に生じる熱対流等により追加のシリコン材料またはシリコン融液は拡散され、鋳型内のシリコン融液は均一なドーパント濃度となる。 Further, since the silicon melt 9 is solidified from the bottom of the mold 5 and the additional silicon material or silicon melt is supplied to the surface of the silicon melt heated by the mold heating means 8, the silicon melt near the solid-liquid interface is used. The dopant concentration of the liquid does not change abruptly, and additional silicon material or silicon melt is diffused by thermal convection generated in the silicon melt, so that the silicon melt in the mold has a uniform dopant concentration.

さらには製造条件の自由度が制約されることはなく、凝固速度をコントロールすべく種々の温度条件も自由に変更することができるので、太陽電池特性を向上させるための諸条件を同時に満たすことも可能となる。 Furthermore, the degree of freedom of manufacturing conditions is not restricted, and various temperature conditions can be freely changed to control the solidification rate, so that various conditions for improving solar cell characteristics can be satisfied at the same time. It becomes possible.

シリコン融液９の液面の高さは、例えば、鋳造装置に設けた覗き窓等から随時観察することにより、鋳型５内のシリコン融液９の凝固率を推定することができる。なお、予め鋳型５の側面に塗布された離型材層の表面に目盛等の目印を設けておくことにより、より正確に凝固率を推定することが可能となる。また、ビデオカメラ等を用いて液面をモニタリングして、追加のシリコン材料またはシリコン融液の供給を制御することも可能である。 The solid surface ratio of the silicon melt 9 can be estimated by, for example, observing the liquid level of the silicon melt 9 from a viewing window or the like provided in the casting apparatus as needed. In addition, it is possible to estimate the solidification rate more accurately by providing a mark such as a scale on the surface of the release material layer previously applied to the side surface of the mold 5. It is also possible to control the supply of additional silicon material or silicon melt by monitoring the liquid level using a video camera or the like.

また、鋳型内のシリコン融液のドーパント濃度より低い追加のシリコン材料またはシリコン融液を複数回供給することにより、より比抵抗のバラツキが小さく、品質が均一なシリコンインゴットを製造することができる。よって、シリコン材料またはシリコン融液を供給するときのシリコン融液の凝固率、追加のシリコン材料またはシリコン融液のドーパント濃度および供給量、供給回数をインゴットの比抵抗のバラツキが抑えられるように適宜調整して行なえばよい。 Further, by supplying an additional silicon material or a silicon melt having a lower concentration than the dopant concentration of the silicon melt in the mold a plurality of times, a silicon ingot having a smaller specific resistance variation and a uniform quality can be manufactured. Therefore, the solidification rate of the silicon melt when supplying the silicon material or silicon melt, the dopant concentration and supply amount of the additional silicon material or silicon melt, and the number of times of supply are appropriately determined so that variation in the specific resistance of the ingot can be suppressed. Adjust it.

このように上述した鋳造方法により作製したシリコンインゴットの比抵抗値は、シリコンインゴットの底部と上部の比抵抗の差が、０．２Ω・ｃｍ〜０．５Ω・ｃｍという比抵抗のバラツキが小さいものである。 As described above, the specific resistance value of the silicon ingot produced by the casting method described above is such that the difference in specific resistance between the bottom and top of the silicon ingot is small in the specific resistance variation of 0.2Ω · cm to 0.5Ω · cm. It is.

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上述の実施形態では、上方に溶融坩堝を別途備えたシリコン鋳造装置を用いて説明したが、これに限るものでもなく、鋳型の内部でシリコン材料を溶融してシリコン融液を形成する鋳型内溶融型のシリコン鋳造装置であっても構わない。また、鋳型内溶融型のシリコン鋳造装置では、鋳型内のシリコン材料の嵩比重は通常１．０〜１．５でシリコンの比重２．３３に比べて半分程度であるため、シリコン融液が凝固して形成されたシリコンインゴットの高さは鋳型の半分程度しかない。そのため、鋳型を有効利用するために追加のシリコン材料を供給することが好ましく、このとき本発明の実施形態における製造方法を用いることは特に有効である。 For example, in the above-described embodiment, the description has been given using the silicon casting apparatus additionally provided with the melting crucible on the upper side. However, the present invention is not limited thereto, and the mold for melting the silicon material inside the mold to form the silicon melt An inner melting type silicon casting apparatus may be used. In the in-mold melting type silicon casting apparatus, the bulk specific gravity of the silicon material in the mold is usually 1.0 to 1.5, which is about half of the specific gravity of silicon 2.33. The height of the silicon ingot formed in this way is only about half that of the mold. Therefore, it is preferable to supply an additional silicon material in order to effectively use the mold, and at this time, it is particularly effective to use the manufacturing method according to the embodiment of the present invention.

また、上述の実施形態に代えて、溶融坩堝１で第一ドーパント材を含有したシリコン融液を作製し、鋳型５内部には別途第一ドーパント材を配置して、溶融坩堝１内のシリコン融液を鋳型内に一定量供給し、鋳型内のシリコン材料を溶融する。そして、鋳型内のシリコン融液を凝固させ、シリコン融液の液面の高さを指標としてシリコン融液の凝固率を推定し、そして、シリコン融液９の液面高さが所望の凝固率に応じた高さに到達した時点で、溶融坩堝１内に残っているシリコン融液を供給して、シリコン融液を凝固させる。また、追加するシリコン融液は複数回に分けて供給してよい。 Further, instead of the above-described embodiment, a silicon melt containing the first dopant material is prepared in the melting crucible 1, and the first dopant material is separately disposed inside the mold 5, so that the silicon melt in the melting crucible 1 is disposed. A certain amount of liquid is supplied into the mold to melt the silicon material in the mold. Then, the silicon melt in the mold is solidified, the solidification rate of the silicon melt is estimated using the height of the silicon melt as an index, and the liquid surface height of the silicon melt 9 is the desired solidification rate. When the height corresponding to the above is reached, the silicon melt remaining in the melting crucible 1 is supplied to solidify the silicon melt. Further, the silicon melt to be added may be supplied in a plurality of times.

上記実施形態では、溶融坩堝１内のシリコン融液のドーパント濃度を低めに設定しておき、一定量の上記シリコン融液が鋳型内に注がれた際に、鋳型内にドーパント濃度を調整した第一ドーパント材を配置することで、シリコンインゴット底部の比抵抗値が所望の値となるようにすればよい。そして、溶融坩堝内のシリコン融液を複数回に分けて注ぐだけであるので、製造装置が複雑になることがなく、簡便な方法でドーパント濃度と比抵抗の調整を行うことができる。 In the above embodiment, the dopant concentration of the silicon melt in the melting crucible 1 is set low, and the dopant concentration is adjusted in the mold when a certain amount of the silicon melt is poured into the mold. By disposing the first dopant material, the specific resistance value at the bottom of the silicon ingot may be set to a desired value. And since the silicon melt in the melting crucible is only poured into a plurality of times, the manufacturing apparatus is not complicated, and the dopant concentration and specific resistance can be adjusted by a simple method.

さらに上記実施形態に代えて、第一ドーパント材はＮ型ドーパントであっても本発明の効果を満たすことができる。Ｎ型ドーパントとしては、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などのドナー元素が用いられ、Ｐ型ドーパントとしてはＢ（ホウ素）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）などのアクセプタ元素が用いられる。 Furthermore, it can replace with the said embodiment and can satisfy | fill the effect of this invention even if a 1st dopant material is an N-type dopant. As the N-type dopant, a donor element such as P (phosphorus), As (arsenic), or Sb (antimony) is used. As the P-type dopant, B (boron), Ga (gallium), In (indium), Al ( An acceptor element such as aluminum is used.

以下、上述した半導体インゴットの製造方法を実施した実施例と、比較のため従来の技術の製造方法により実施した比較例について、図１、２を用いて説明する。 Hereinafter, the Example which implemented the manufacturing method of the semiconductor ingot mentioned above and the comparative example implemented by the manufacturing method of the prior art for the comparison are described using FIG.

（実施例）
高純度石英からなる溶融坩堝１を黒鉛からなる保持坩堝２で保持し、溶融坩堝内に、８０ｋｇのシリコン材料と、鋳造したインゴット底部の比抵抗が１．５Ω・ｃｍとなるように予め計算した所定量のホウ素からなる第一ドーパント材を投入した。上部加熱手段３ａおよび側部加熱手段３ｂにより坩堝内の原料を加熱融解してシリコン融液を形成し、石英製の鋳型５内に注いだ。シリコン融液９が注がれた鋳型５は凝固工程において、底部から冷却板７により抜熱し、上部から鋳型加熱手段８により加熱することで、底部から上部にかけての一方向凝固を開始した。また、溶融坩堝１内に２０ｋｇのシリコン材料と、前記ドーパント濃度に対して７０％の濃度の第一ドーパント材を供給し、加熱手段３により加熱融解しシリコン融液とした。そして、ビデオカメラを用いてシリコン融液の液面をモニタリングしてシリコン融液の凝固率を推定し、凝固率が８０％となった時点で、溶融坩堝内のシリコン融液を鋳型５内に追加供給し、シリコン融液を凝固させシリコンインゴットを得た。 (Example)
The melting crucible 1 made of high-purity quartz was held by a holding crucible 2 made of graphite, and the calculation was performed in advance so that the specific resistance of the 80 kg silicon material and the bottom of the cast ingot was 1.5 Ω · cm in the melting crucible. A first dopant material composed of a predetermined amount of boron was added. The raw material in the crucible was heated and melted by the upper heating means 3a and the side heating means 3b to form a silicon melt, which was poured into the quartz mold 5. In the solidification process, the mold 5 poured with the silicon melt 9 was removed from the bottom by the cooling plate 7 and heated from the top by the mold heating means 8 to start unidirectional solidification from the bottom to the top. Further, 20 kg of silicon material and 70% of the first dopant material with respect to the dopant concentration were supplied into the melting crucible 1 and heated and melted by the heating means 3 to obtain a silicon melt. Then, the level of the silicon melt is monitored by using a video camera to estimate the solidification rate of the silicon melt. When the solidification rate reaches 80%, the silicon melt in the melting crucible is put into the mold 5. Additional supply was performed to solidify the silicon melt to obtain a silicon ingot.

（比較例）
高純度石英からなる溶融坩堝１を黒鉛からなる保持坩堝２で保持し、溶融坩堝内に、１００ｋｇのシリコン材料と、鋳造したインゴット底部の比抵抗が１．５Ω・ｃｍとなるように予め計算した所定量の第一のドーパント原料を投入した。上部加熱手段３ａおよび側部加熱手段３ｂにより坩堝内の原料を加熱融解してシリコン融液を形成し、石英製の鋳型５内に注いだ。シリコン融液９が注がれた鋳型５は凝固工程において、底部から冷却板７により抜熱し、上部から鋳型加熱手段８により加熱することで、底部から上部にかけての一方向凝固を行い、シリコンインゴットを得た。 (Comparative example)
The molten crucible 1 made of high-purity quartz was held by a holding crucible 2 made of graphite, and 100 kg of silicon material and the specific resistance at the bottom of the cast ingot were calculated in advance so that the specific resistance was 1.5 Ω · cm. A predetermined amount of the first dopant raw material was charged. The raw material in the crucible was heated and melted by the upper heating means 3a and the side heating means 3b to form a silicon melt, which was poured into the quartz mold 5. In the solidification process, the mold 5 poured with the silicon melt 9 is removed from the bottom by the cooling plate 7 and heated from the top by the mold heating means 8 to perform unidirectional solidification from the bottom to the top, and the silicon ingot Got.

以上の実施例及び比較例の方法により鋳造したシリコンインゴットの中央部をそれぞれ縦方向に切断し、その断面の比抵抗値を四端子測定器にて測定した。その結果を図３に示す。ここで、縦軸はシリコンインゴットの比抵抗値、横軸は得られたシリコンインゴットの凝固率であり、シリコンインゴットの最上部が１である。 The center part of the silicon ingot cast by the methods of the above examples and comparative examples was cut in the vertical direction, and the specific resistance value of the cross section was measured with a four-terminal measuring instrument. The result is shown in FIG. Here, the vertical axis represents the specific resistance value of the silicon ingot, the horizontal axis represents the solidification rate of the obtained silicon ingot, and the top of the silicon ingot is 1.

本発明に関わる実施例のインゴットの底部と上部の比抵抗差は０．２〜０．５Ω・ｃｍであったのに対して、比較例のインゴットの底部と上部の比抵抗差は０．７Ω・ｃｍであった。また、上述の方法で得られたシリコンインゴットをそれぞれ所定の厚みにスライスし、一般的なバルク型太陽電池素子を作製し、その特性として太陽電池素子の変換効率を評価した。その結果、実施例で作製された基板を用いた素子の変換効率の平均値は、１５．８％となったが、比較例で作製された基板を用いたものは、１５．４％であった。このように、実施例の本発明に係る半導体基板を用いて形成した太陽電池素子は、従来手法による比較例のものよりも良好な特性が得られたが、これは、本発明の半導体インゴットの製造方法を用いて形成されたシリコンインゴットは、不純物濃度が均一で比抵抗ばらつきが小さい品質を有するためと推測される。以上のように実施例により本発明の効果を確認することができた。 The specific resistance difference between the bottom and top of the ingot of the example according to the present invention was 0.2 to 0.5 Ω · cm, whereas the specific resistance difference between the bottom and top of the ingot of the comparative example was 0.7Ω. -Cm. Moreover, the silicon ingot obtained by the above-mentioned method was each sliced to a predetermined thickness to produce a general bulk type solar cell element, and the conversion efficiency of the solar cell element was evaluated as its characteristics. As a result, the average value of the conversion efficiencies of the elements using the substrates produced in the examples was 15.8%, while those using the substrates produced in the comparative examples were 15.4%. It was. As described above, the solar cell element formed using the semiconductor substrate according to the present invention of the example obtained better characteristics than those of the comparative example according to the conventional method. The silicon ingot formed using the manufacturing method is presumed to have a quality with a uniform impurity concentration and a small variation in specific resistance. As described above, the effects of the present invention could be confirmed by the examples.

本発明の半導体インゴットの製造方法に関わる半導体原料の供給工程の鋳造装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the casting apparatus of the supply process of the semiconductor raw material in connection with the manufacturing method of the semiconductor ingot of this invention. 本発明の半導体インゴットの製造方法に関わる凝固工程の鋳造装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the casting apparatus of the solidification process in connection with the manufacturing method of the semiconductor ingot of this invention. 本発明の半導体インゴットの製造方法により作製したシリコンインゴットの比抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the specific resistance of the silicon ingot produced by the manufacturing method of the semiconductor ingot of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１・・・溶融坩堝
２・・・保持坩堝
３・・・加熱手段
３ａ・・・上部加熱手段
３ｂ・・・側部加熱手段
４・・・シリコン材料（半導体材料）
５・・・鋳型
６・・・鋳型保持台
７・・・冷却板
８・・・鋳型加熱手段
９・・・シリコン融液（半導体融液） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Melting crucible 2 ... Holding crucible 3 ... Heating means 3a ... Upper heating means 3b ... Side part heating means 4 ... Silicon material (semiconductor material)
5 ... Mold 6 ... Mold holder 7 ... Cooling plate 8 ... Mold heating means 9 ... Silicon melt (semiconductor melt)

Claims

第一導電型を規定する第一ドーパント材を含有する半導体融液を、鋳型内で所定方向に凝固させてなる半導体インゴットの製造方法において、
前記凝固過程における前記半導体融液の液面を測定し、該測定値に応じて前記半導体融液の第一ドーパント濃度よりも第一ドーパント濃度が低い半導体原料を、前記半導体融液中に供給することを特徴とする半導体インゴットの製造方法。 In a method for producing a semiconductor ingot obtained by solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold,
The liquid level of the semiconductor melt in the solidification process is measured, and a semiconductor raw material having a first dopant concentration lower than the first dopant concentration of the semiconductor melt is supplied into the semiconductor melt according to the measured value. A method for manufacturing a semiconductor ingot.

前記半導体原料の第一ドーパント濃度は、前記半導体融液の凝固開始前の第一ドーパント濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体インゴットの製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor ingot according to claim 1, wherein the first dopant concentration of the semiconductor raw material is lower than the first dopant concentration before the solidification of the semiconductor melt is started.